tests-de-biocompatibilite

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Réalisé par:
Mr. Mohamed REMARAM
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Plan de travail
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La biocompatibilité est la capacité d'un matériau ou un
dispositif de rester biologiquement inactif lors de la
période d'implantation.
Le but d'un test de biocompatibilité est de déterminer la
toxicité potentielle résultante du contact de l'appareil avec
le corps.
Par conséquent, les dispositifs médicaux doivent être
testés pour la cytotoxicité, la toxicité spécifique pour les
organes cibles, l’irritation, la sensibilisation de la
peau et des muqueuses, hémocompatibilité, les
effets d'implantation, génotoxicité, de carcinogénicité,
et les effets sur la reproduction.
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 Un biomatériau est un matériau non vivant
utilisé dans un dispositif médical, à des fins
thérapeutiques ou non, et appelé à interagir
avec les systèmes biologiques.
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 Les biomatériaux ont une histoire longue de plus de mille ans.
Les premiers matériaux implantés ont été l’or, l’argent et le
cuivre, sans aucune notion de biocompatibilité.
 la Conférence de consensus biomatériaux a proposé la
définition suivante:
 En 1986: « Un matériau non viable, utilisé dans un dispositif
médical pour interagir avec les milieux biologiques. ».
 Williams a proposé la définition suivante:
 En 1987: “biocompatibilité est la capacité d'un matériau
à jouer avec une réponse de l'hôte appropriée dans une
application spécifique” .
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La biocompatibilité est la capacité d’un biomatériau à
remplir une fonction spécifique avec une réponse
appropriée de l’hôte.
La biocompatibilité a longtemps été synonyme d’inertie du
matériau, c’est-à-dire liée à l’absence de réponse de l’hôte
et à l’absence de dégradation par l’hôte.
L’or, par exemple, peut être défini comme un matériau
biocompatible ou pas en fonction du but dans lequel il est
employé : il est considéré comme biocompatible s’il est
utilisé pour une restauration coronaire mais ne l’est pas s’il
est employé comme implant orthopédique car il n’induit
pas, comme le titane, d’ostéointégration.
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Dans la stratégie globale d'évaluation de la
biocompatibilité, il faut tenir compte non
seulement des caractéristiques et des
propriétés (physiques, chimiques, mécaniques
et morphologiques) des matériaux, mais aussi
de la tolérance de ces matériaux.
La biocompatibilité implique non seulement
les réponses des deux composants du système
biomatériau-tissu
mais
également
les
phénomènes aux interfaces.
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Forme des échantillons d’essai:
 Les matériaux qui ont diverses formes, tailles ou des
états physiques (ex: le liquide, gels, solides, etc.) peut
être testé sans modification dans les tests de
cytotoxicité.
 L’échantillon d'essai préféré d'un matériau solide doit
avoir au moins une surface plane. Sinon, des
ajustements doivent être faits pour atteindre les
surfaces planes.
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Stérilité des échantillons d'essai:
 La stérilité de l'échantillon d'essai doit être prise en
compte.
 Les échantillons de dispositifs stérilisés doivent être
manipulés de façon aseptique tout au long de la
procédure d'essai.
 Si les échantillons d'essai non-stériles sont utilisés,
elles doivent être vérifiées pour la contamination
bactérienne, car la contamination peut conduire à une
évaluation erronée de la cytotoxicité.
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Il existe une chronologie des tests réalisés:
Essais primaires:
• essais de génotoxicité (in vitro).
• essais de cancérogénicité et reproduction (in
vivo).
• essais d’hémolyse (in vitro).
• essais de toxicité systémique (in vivo).
• essais de cytotoxicité (in vitro).
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 Essais secondaires:
• essais d’irritation muqueuse (in vivo).
• essais d’irritation cutanée (in vivo).
• essais de sensibilisation (in vivo) (obligatoire en
odontologie).
• essais d’implantation (in vivo) (obligatoire en
odontologie).
 Essais d’utilisation chez l’animal: dans les conditions
normales d’utilisation du biomatériau.
 Essais cliniques chez l’homme
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 Des essais de culture de cellules sont utilisés pour évaluer
la biocompatibilité d'un matériau ou d'un extrait par
l'utilisation de cellules isolées in vitro. Ces techniques
sont utiles pour évaluer le potentiel de toxicité ou
d'irritation des matériaux et produits chimiques.
 Il existe trois tests de cytotoxicité couramment utilisés
pour les dispositifs médicaux :
 Les tests de contact direct(figure 1).
 Le test de diffusion en gélose(figure 2).
 Le test d'élution.
 Le choix d'un ou plusieurs de ces catégories dépend de
la nature de l'échantillon à être évaluer.
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Figure 1-Fibroblastes pulpaires au contact d’un
biomatériau lors d’un test de contact direct
Il existe une zone d’inhibition entre les
cellules et le biomatériau montrant une
certaine cytotoxicité
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Figure 2-Zones d’inhibitions décolorées lors d’un test de
surimposition d’agarose évaluant la
cytotoxicité de certains ciments de scellement canalaires
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 Ils évaluent les effets des dispositifs médicaux et de
leurs produits de dégradation sur les mutations
géniques, les changements de structure chromosomique
ou toute autre modification des gènes et de l’ADN.
 Le plus connu est le test d’Ames (figure 3), on introduit
avec l’échantillon que l'on veut tester la Salmonella
Typhimurium qui est une bactérie très sensible aux
mutations des gènes. Cette bactérie ne sait pas
synthétiser l'histidine (l'un des acides amines qui se
trouvent dans le gène ). Au moment ou cette bactérie
nous synthétise de l'histidine on dit qu'elle a subit une
mutation gêneuse .
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Figure 3-Boîte de culture montrant des colonies de
Salmonella Thyphimurium ayant muté après
la mise en contact avec un matériau mutagène.
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Les chromosomes sont des structures
moléculaires massive trouve dans le noyau
de la cellule.
Les chromosomes sont constitués d'ADN ainsi
qu'une multitude d'assister à des molécules
comme les protéines et les lipides.
L'ADN double-brin est constitué de quatre
répéter acides nucléiques ou des nucléotides.
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 Les agents génotoxiques sont également connus
comme mutagènes.
 Les mutations sont des modifications de l'ADN qui se
traduisent par un gène, c'est à dire mal exprimée.
 Les mutations sont des événements naturels, des
dizaines se produisent ou centaines de fois par
jour dans un organisme.
 La plupart des mutations sont réparées par le
toilettage de la cellule et les mécanismes de réparation.
Un seul événement mutationnel pourrait devenir un
cancer cliniquement décelable dans environ six ans.
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Études des implants sont utilisés pour déterminer la
biocompatibilité des dispositifs médicaux ou biomatériaux
directement en contact avec les tissus vivants autres que la
peau (par exemple: sutures, dispositifs implantables, etc.).
Ces tests peuvent évaluer les dispositifs, qui, dans
l'utilisation clinique, sont destinés à être implantés soit
pour un court terme ou à long terme.
Les techniques d'implantation sont utilisés pour fournir
une évaluation raisonnable de la sécurité, l'étude implant
doit se rapprocher de l'usage clinique.
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 Essai Hémocompatibilité comprend une batterie
complète de tests requis de tout ce qui entre
en contact avec du sang.
 L’interaction
dispositif/sang
c’est
toute
interaction entre le sang ou tout autre composant
du sang et un dispositif entraîne des effets sur le
sang, ou sur un organe ou un tissu, ou sur le
périphérique.
 Ce test comprend des essais sur la thrombose,
coagulation, plaquettaire, hématologie et système
du complément.
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 Thrombose:
 Dans le phénomène in vivo entraînant l'occlusion
partielle ou complète d'un navire ou d'un dispositif
par un thrombus. Un thrombus est composé d'un
mélange de globules rouges, plaquettes agrégées, la
fibrine et d'autres éléments cellulaires.
 Coagulation:
 Phénomène qui résulte de l'activation de la cascade de
facteurs de coagulation.
 Les facteurs de la coagulation et du système
fibrinolytique peuvent être mesurée après l'exposition
à des dispositifs in vitro ou in vivo.
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 Plaquettaire:
 Anucléées, le corps cellulaire qui est présente
dans la circulation qui adhère aux surfaces et des
agrégats pour former un bouchon hémostatiques
pour réduire les saignements. Test Platelet inclut
la quantification du nombre de plaquettes ainsi
que l'analyse de leur structure et la fonction. Les
essais peuvent comprendre une analyse des
facteurs plaquettaires, ou de composants sur la
surface des plaquettes qui sont libérées par les
plaquettes ou adhérents à la surface du dispositif.
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 Hématologie:
 Etude du sang, y compris la quantification des
composants cellulaires et le plasma du sang.
 Système du complément:
 Partie du système immunitaire inné, composé de
plusieurs protéines plasmatiques y compris les
enzymes et les récepteurs cellulaires. Molécules
effectrices produites à partir de composants du
complément sont impliqués dans l'inflammation,
la phagocytose et la lyse cellulaire.
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 Ce test estime le potentiel d'irritation locale des appareils,
des matériaux ou des extraits, en utilisant des sites comme
peau ou les muqueuses, le plus souvent dans un modèle
animal.
 Dans le test intradermique, des extraits du matériel d'essai
sont injectés par voie intradermique. Les sites d'injection
sont marqués pour l'érythème(rougeur et gonflement). Cette
procédure est recommandée pour les appareils qui ont un
contact externe ou interne communiquant avec les fluides
corporels ou de l'organisme. Il détecte de manière fiable le
potentiel d'irritation locale due à des produits chimiques qui
peuvent être extraits à partir d'un biomatériau.
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 Les études de sensibilisation aider à déterminer si un matériau
contenant des produits chimiques qui causent des effets
indésirables locales ou systémiques après exposition répétée
ou prolongée.
 Étude visant à déterminer le potentiel de sensibilisation peut
être réalisée en utilisant des produits chimiques spécifiques du
matériel d'essai
 En particulier, le test est destiné à une réaction
d'hypersensibilité de type retardé.
 Il s'agit d'une réponse immunitaire qui prend quelques jours
pour se développer.
 Poison IVY est un bon exemple d'une réaction
d'hypersensibilité de type retardé.
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 Toxicité systémique (aiguë) évalue le
potentiel effets néfastes des dispositifs
médicaux sur le corps organes et de tissus qui
sont éloignés du site de contact.
 Biocompatibilité des matériaux Matrice
recommande de tester tous les appareils
contact avec le sang. Peut également
être utile pour tout autre dispositif que les
tissus contacts internes.
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Les études de carcinogénicité des agents
chimiques est utilisé la dose maximale
tolérée (DMT) ,elle est déterminé à partir
des données provenant d’études de toxicité
d’une durée de trois mois.
Les produits pharmaceutique ayant une
faible toxicité chez les rongeurs, l’utilisation
de la DMT peut entraîner l’administration de
très fortes doses dans les études de
carcinogénicité. ainsi pour des substances
génotoxiques.
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 Les substances non génotoxiques lesquelles il peut exister des
doses limites et dont les effets carcinogènes peuvent résulter
de modifications physiologiques, les extrapolations linéaires
effectuées à partir des effets entraînés par des doses élevées
ont été remises en question. On s'interroge donc sur le bienfondé de l'utilisation des doses auxquelles sont exposés les
rongeurs, qui sont considérablement supérieures à celles
prévues chez l'être humain, pour déterminer le risque chez ce
dernier. Étant donné que ces doses entraînent des
modifications physiologiques très importantes chez les
espèces testées, les résultats de ces études peuvent ne pas
refléter les effets qui résulteraient de l'exposition de l'être
humain.
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La toxicité de reproduction et un aspects de la
fonction reproductive male et femelle peuvent être
étudiées in vitro jusqu’à un certain degré ,et de
nombreux composants cellulaires d’organes de
reproduction.
La toxicité de développement (tératogénicite) peut
être étudiée grâce à des cultures cellulaires utilisant
un test sur cellule souche embryonnaire.
Des études préliminaires avaient indiqué que les
cellules souches embryonnaires pouvaient prédire la
toxicité chez l’homme avec plus de 80 % de
précision.
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 Essais d’utilisation chez l’animal:
Lors des essais d’utilisation, les matériaux sont utilisés
chez l’animal dans les conditions réelles de mise en
place et de fonction. Ils ne sont pas obligatoires et
restent sous la responsabilité du fabricant qui doit
décider ou non de la nécessité de sacrifier des animaux
de laboratoires.
 Essais clinique chez l’homme:
Ils sont réalisés chez l’homme après avis du comité
départemental d’éthique, réalisés en clinique par un
«investigateur » et les résultats sont vérifiés par un
«moniteur » indépendant.
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 Les tests in vitro:
 Avantages:
• plus rapides que les tests in vivo.
• moins onéreux.
• les tests in vitro permettent d'évaluer séparément les effets
biologiques de chacun des composants du matériau.
• Les tests de génotoxicité sont beaucoup plus rapides et moins
coûteuses comparant avec les tests de carcinogénicité.
• Il est aussi plus humain parce qu'il ne cause pas de souffrance aux
animaux vivants.
 Inconvénients:
• ils n’ont que peu de rapport avec la clinique.
• ils sont trop sensibles.
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Les tests in vivo:
 Avantages:
• Ils sont beaucoup plus proches de la clinique.
• Ils permettent d’évaluer les effets d’un matériau sur des
organes loin de l’organe cible.
• Ils permettent d’évaluer la toxicité des métabolites.
 Inconvénients:
• Les tests réalisés sur des animaux de laboratoire peuvent
ne pas avoir de rapport avec l’espèce humaine.
• Il peut être difficile de simuler la pathologie préexistante
(carie, lésion parodontale).
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 Quand on parle d’expérimentation animale, que faut-il
entendre au juste ? L’expérimentation animale, encore
dénommée vivisection, est une méthode appliquée dans le
cadre de recherches médicales ou cosmétologiques qui a
recours à l’expérimentation sur les animaux dans le but de
s’assurer qu’une substance donnée n’est pas dangereuse et
peut être administrée avec profit aux hommes, dans une
perspective souvent thérapeutique. Cette méthode repose
alors sur le postulat de la similitude - 80% du patrimoine
génétique des souris (animaux de laboratoire parmi les
plus utilisés) serait commun avec celui de l’homme - où de
la découverte d’un effet recherché chez l’animal, on en
déduira une réaction similaire chez l’homme.
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 Et le recours à l’expérimentation animale est
d’autant plus fréquent que la loi exige qu’avant
toute
commercialisation
les
substances
potentiellement dangereuses pour l’homme
soient préalablement testées afin de prévenir
tout risque pour l’homme. En plus des
médicaments, cette réglementation s’impose
aussi aux cosmétiques, aux pesticides aux
produits ménagers et aux biomatériaux qui sont
le sujet de notre thème.
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 Ce sont les œuvres de Galien (130 201) et ses idées sur la physiologie et
l'anatomie qui serviront de source
dogmatique aux médecins pendant
quinze siècles. Ses recommandations
de s'appuyer sur l'expérimentation
(dissection) et non sur les écrits furent
oubliées.
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A partir de la Renaissance,
l'observation directe et
l'expérimentation (chirurgie)
vont se développer lentement
(Léonard de Vinci, 1452-1519 ;
Vésale 1514-1564). La dissection
des cadavres d'animaux
permettait d'identifier la position
des organes. Ces descriptions
suppléaient à celles que l'on ne
pouvait faire à partir de
l'homme, étant donné le tabou
sur la dissection des cadavres
humains et la rareté des
dissections.
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 Puis Harvey (1578 - 1657) pratiqua la
vivisection sur l'animal, dans le but de
reconnaître sur le vivant les fonctions des
organes, puis celles des tissus dont la dissection
avait identifié la position sur le cadavre. Harvey
fut aussi un des premiers à user de la
quantification (mesure du volume sanguin)
malgré la difficulté des mesures. Grâce à ces
deux approches, il prouva la circularité du
mouvement du sang, concept qui fonda la
physiologie moderne.
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ESSAI DE SENSIBILISATION:
Le test de référence est le Guinea Pig Maximization
Test (GPMT) réalisé sur des cochons d’inde. Les
animaux sont mis 2 fois en contact avec le
biomatériau à 15 jours d’intervalle. La peau est
observée à 24, 48 et 72 heures et la réaction cutanée
évaluée selon un tableau permettant de la classer en
5 grades. L’animal n’est pas sacrifié et il n’y a
aucune évaluation histologique des résultats.
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 ESSAI D’IMPLANTATION:
Après implantation intra osseuse du matériau dans la mandibule
ou le fémur de lapin, les animaux sont sacrifiés à 1 mois (court
terme) ou 3 mois (long terme). Après préparation histologiques
les résultats sont analysés selon les critères de la norme ISO
suivants :
- présence de cellules de l’inflammation.
- interposition fibreuse.
- dégénérescence de la moelle osseuse.
- nécrose osseuse.
- présence de débris.
- granulome.
Ceci permet de classer les réactions en : absente, légère, modérée
et sévère (Figure 4).
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Figure 4-Exemples de réaction absente (a),
légère (b), modérée (c) et sévère (d) après
implantation intra osseuse chez le lapin.
On peut noter respectivement : le remplacement total du biomatériau
par de l'os néoformé (*), l'apposition osseuse au contact de quelques
restes du biomatériau (*), la persistance du biomatériau au contact
d'un tissu inflammatoire (*) et la désorganisation totale de tous les
tissus en contact du biomatériau.
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Essai d’irritation (test de Draize):
Ce test est appliqué sur les lapins et la procédure
opératoire à suivre est la suivante :
Test d'irritation oculaire:
✔ Introduction de quelques gouttes.
✔ Maintient de la paumière fermée.
✔ Relâchement de la paupière.
✔ Observation.
Test d'irritation cutanée:
✔ Rasage du pelage.
✔ Application de la substance.
✔ Vérification si irritation.
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 Tous les organismes animaux sont constitués de gènes, de cellules et de
tissus ; ils fabriquent une très grande diversité de molécules essentielles à
leur croissance et à leur reproduction, tout comme l’organisme humain.
 Les animaux possèdent les mêmes grands systèmes physiologiques que
l’homme (digestif, respiratoire, reproducteur, nerveux et immunitaire), et
leur étude constitue une source inépuisable de connaissance. L’animal
apparaît ainsi comme le modèle d’étude le plus adapté de la complexité de
la physiologie humaine.
 De nouvelles méthodes n’ont cessé d’apparaître pour diminuer le recours à
l’animal : elles sont couramment nommées méthodes alternatives.
 Parmi celles-ci, on peut citer l’imagerie, la modélisation mathématique et
les expériences sur cultures de cellules. Les chercheurs utilisent ces
méthodes en priorité, non seulement pour des raisons d’éthique, mais aussi
pour des raisons de simplification du modèle étudié ou de moindre coût.
Cependant, elles ne permettent d’étudier que des phénomènes simples.
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 Quelle que soit leur sophistication, elles ne pourront jamais
simuler dans toute sa complexité et dans toutes ses
interactions l’être vivant lui même. Complémentaires de
l’étude sur l’animal total, elles ne peuvent s’y substituer.
 Les études menées in vitro, par exemple, permettent d’obtenir
des résultats scientifiques importants pour une première étape
de recherche.
 Cependant, quand il s’agit de comprendre la réaction d’un
organisme à un composé donné, la connaissance de la réaction
d’un groupe de cellules ne peut pas permettre de prédire la
réaction d’un organisme entier. Seule l’étude sur l’animal
vivant résoudra cette question. Ainsi, toutes ces méthodes,
complémentaires de l’étude sur l’animal, ne peuvent s’y
substituer complètement.
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L’évaluation de la biocompatibilité ne peut être
faite qu’à partir d’un ensemble de tests. Ces
derniers doivent être réalisés mais surtout
interprétés par des spécialistes en fonction de la
future utilisation clinique du biomatériau. Cela
permet d’éviter de rejeter des biomatériaux
utilisés avec succès depuis longtemps et qui ne
passeraient pas les tests imposés aujourd’hui aux
matériaux modernes.
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